【正文】 5 Modbus 串口通訊協(xié)議 通訊系統(tǒng)組成設(shè)計(jì) 本通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)以第四章所述的 STC15 系列型號的單片機(jī)為核心，單片機(jī)本身包含了數(shù)。有利的幫助了大型控制中的程序調(diào)試。 STC15 系列型號的單片機(jī)中還有一個(gè)集成有一個(gè)看門狗電路，主要通過軟件設(shè)中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 計(jì)來實(shí)現(xiàn)復(fù)位。由于 STC15 系列單片機(jī)自身的特性，已經(jīng)具有不可見得復(fù)位內(nèi)部集成電路，而且能夠滿足調(diào)節(jié)設(shè)置的要求范圍，另外再設(shè)置外部電路無非是多余之舉。注意的是在其他的如輸出比較電路、采集電路等其他的計(jì)算時(shí)應(yīng)該以 24M 為基準(zhǔn) [17]。當(dāng)然這種單片機(jī)也可以外接外部晶振，通過電容連接到 ECU 的 XTAL 和 EXTAL 之間。 %（ 20℃ +65℃）。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 圖 單片機(jī)電路圖 時(shí)鐘電路 對于 STC15系列單片機(jī)來說，內(nèi)部時(shí)鐘電路精度已經(jīng)達(dá)到正負(fù)千分位級別，溫飄177。在此過程中，單片機(jī)可能會進(jìn)行多次循環(huán)調(diào)節(jié)，才能達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，而對操作者來說只需在界面進(jìn)行外設(shè)調(diào)節(jié)即可完成。 圖 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 如圖 所示 :單片機(jī)設(shè)有一個(gè) ATD 轉(zhuǎn)換接口和一個(gè) SPI 串行總線接口，系統(tǒng)現(xiàn)場傳感器測量測量信號實(shí)時(shí)傳入給單片機(jī)，單片機(jī)通過高速處理器判斷運(yùn)算信號數(shù)據(jù)。單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是讓單片機(jī)能正常工 作并發(fā)揮其功能時(shí)所必須的組成部分 [15]，可以這么認(rèn)為，有了油鹽醬醋，就能夠?qū)崿F(xiàn)美味佳肴的烹飪，對于單片機(jī)最小系統(tǒng)也是同樣道理。作為一個(gè)系統(tǒng)，必然會有幾部分基于單片機(jī)的組成。 (7) SPI 通信端口速度高（異步串口），可拓展 I/O 口 (8) 低功耗設(shè)計(jì)，四種模式供使用。 (5) 工作頻率范圍： 5MHz 35MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 60MHz420MHz。 (3) 2K 大容量 SRAM。主要技術(shù)參數(shù)如下： (1) 工作電壓： （ 5V 單片機(jī)）。 單片機(jī)總體介紹 STC15F2K60S2 系列單片機(jī)是是傳統(tǒng) 51 單片機(jī)的加強(qiáng)與擴(kuò)充，主要優(yōu)點(diǎn)有高強(qiáng)度加密，與其他單片機(jī)代碼兼容，運(yùn)行速度快，寬泛的設(shè)置范圍，內(nèi)部集成高精度時(shí)鐘，可外接時(shí)鐘電路，復(fù)位選擇廣，精度更高。隨著時(shí)代變遷，集成技術(shù)也在快速發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，能夠?qū)⑦@些元件完美集成在一起，構(gòu)成高可靠性系統(tǒng)，用于工業(yè)控制方面。另外還針對各部分設(shè)備進(jìn)中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 行了選型。 VNF 系列型號的壓力傳感器，可測量壓力范圍為1000Kpa17000Kpa，可調(diào)電壓信號 05v，用于測量給水壓力。 壓力傳感器 本設(shè)計(jì)選用的壓力傳感器為深圳市東本工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的VPRF2 和 VNF 系列型號的壓力傳感器，主要用于蒸汽壓力、汽包壓力和給水壓力的測量。為滿足設(shè)計(jì)要求，選用 I3DD8 型三極管，其工作電流為 510A。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 功率三極管選型 功率三極管用于接觸器控制線路中，接觸器控制線路如下： 圖 接觸器控制線路 三極管有導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。本系統(tǒng)總的工作電流在 150A 左右，可設(shè)定過流保護(hù)為 200A，完全可以滿足保護(hù)系統(tǒng)要求。 熔斷器選型 當(dāng)系統(tǒng)在異常工作時(shí)引起的電流過大，會嚴(yán)重?fù)p壞系統(tǒng)安全。 接觸器選型 接觸器作為重要的啟、停元件，交流電動(dòng)機(jī)的啟、停需要接觸器來完成，那么選擇合理的型號的接觸器，對于交流電動(dòng)機(jī)很重要。 由以上分析結(jié)果選用三菱變頻器公司生產(chǎn)的變頻器其型號代碼為RA740110KwCHT：電壓 380V、頻率 50HZ、電流 216A。 YJTG315S4 三相異步電動(dòng)機(jī)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，可根據(jù)技術(shù)要求調(diào)整其額定功率為 100Kw。 電機(jī)選型 介紹完水位傳感器和流量傳感器之后，開始對動(dòng)力設(shè)備電機(jī)進(jìn)行選型，選擇合適的電機(jī)型號用于鍋爐供水，提供有效的動(dòng)力支持，完成鍋爐上水任務(wù)要求，汽包上水合格。 防爆等級 本安 iallcT1T5,隔爆型 ExdllBT4 防護(hù)等級 Ip65 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 表 工況液、氣體流量范圍 通徑 液體 氣體 DNmm m3/h m3/h 15 530 20 25 32 15150 40 22220 50 450 35350 60 60600 80 9120 90900 100 14200 1401400 125 22280 2202200 150 38400 3003000 200 65700 5005000 250 1201200 110011000 300 1801800 150015000 同理根據(jù)鍋爐型號參數(shù)，滿測量不超過 52m3/h，所以據(jù)表 可知汽包送水管道管徑應(yīng)選用 50mm,對應(yīng)測量范圍在 450m3/h，能夠滿足設(shè)計(jì)測量范圍。 10%， DC24V177。 技術(shù)參數(shù)如表 所示： 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 表 LUGB240304YD2N 渦街流量傳感器技術(shù)參數(shù) 采用標(biāo)準(zhǔn) Q/YHC4012020 JB/T680793 測量介質(zhì) 氣體、液體、蒸氣 標(biāo)準(zhǔn)口徑 法蘭卡裝式口徑規(guī)格 1 2 3 50、6 80、 100 法蘭連接式口徑規(guī)格 12 150、 200、 250、300 插入式口徑規(guī)格 200～ 2020 流量測量 測量范圍 雷諾數(shù) 104～ 4 106，氣體 5～50m/s，液體 ～7m/s 測量范圍 詳見表 精度 法蘭卡裝式、法蘭式為 1級， 插入式測量精度為 1級，插入工業(yè)管道上精度為 被測介質(zhì)溫度 常溫 25～ 100℃高溫25～ 150℃、 25～250℃、 25～ 300℃ 工作壓力 1..6Mpa,Mpa 輸出信號 脈沖電壓 高電平 4～ 5V，低電平～ ） 脈沖占空比： 50%，傳輸距離： 100m 標(biāo)準(zhǔn)電流 DC420m允許外接負(fù)載電阻小于 600Ω（電源 DC24V） ,傳輸距離為 3000m。合適的流量信號對于系統(tǒng)控制有利而無害，因此選用合適的流量傳感器測量系統(tǒng)控制量能夠改善系統(tǒng)控制，使控制質(zhì)量有所提升。 1%/55℃（零點(diǎn)和量程） 使用環(huán)境 環(huán)境溫度： 20～ 85℃ 相對濕度：≤ 85% 供電 177。該型號傳感器的技術(shù)參數(shù)如下： 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 表 CN213型號水位傳感器技術(shù)參數(shù) 測量范圍 0～ 500mm 測量精度 ≤ 177。 50mm,根據(jù)儀表的量程制定測量儀表的精度應(yīng)為 10/450=%FS 以上 。根據(jù)鍋爐的選型可以知道汽包水位的控制范圍，由于選用儀表的準(zhǔn)則是被測量參數(shù)應(yīng)為控制儀表量程的 2/3 測量才最為準(zhǔn)確。好的測量數(shù)據(jù)會有好的控制結(jié)果，壞的控制質(zhì)量必然是因?yàn)椴畹臏y量效果導(dǎo)致的。在此就不再作出贅余的介紹了。 圖 汽包水位界面 界面其余部分就是汽包工作時(shí)各參數(shù)的顯示，以及水位標(biāo)尺。 圖 圖 緊急放水門窗口 如果要進(jìn)行汽包個(gè)體的監(jiān)測，則需要點(diǎn)擊按鈕“汽包水位”方可進(jìn) 行汽包內(nèi)部參數(shù)的監(jiān)控，對于汽包水位的高度、壓力的測量分別使用三個(gè)壓力計(jì) 、 水位計(jì)中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 進(jìn)行測量，每個(gè)測量器都會有其測量參數(shù)顯示到界面，如圖 所示。所以本界面還有設(shè)計(jì)出報(bào)警提示，例如當(dāng)汽包水位過高或過低時(shí)，會彈出報(bào)警提示信息，如圖 和圖 所示。另外，由于汽包水位是動(dòng)態(tài)變化的，難免會因?yàn)槟撤N因素導(dǎo)致汽 包水位的不正常現(xiàn)象 [13]。 圖 、電動(dòng)門、調(diào)節(jié)門界面 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 緊接著給水進(jìn)入省煤器進(jìn)行預(yù)熱，再進(jìn)入汽包。不同閥門擁有不同的調(diào)節(jié)方式，這三路中總的來說就包含三種閥門：手動(dòng)、電動(dòng)、調(diào)節(jié)。從圖 中我們可以看出，去汽包方向 給水又分成三路：含有兩個(gè)手動(dòng)閥門路；含有一個(gè)電動(dòng)門和一個(gè)調(diào)節(jié)門路即旁路調(diào)節(jié)路；還有一路含有一個(gè)電動(dòng)門、一個(gè)調(diào)節(jié)門和一個(gè)手動(dòng)門。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 圖 主給水門調(diào)節(jié)界面 之后主給水去處一分為二，一路通往汽包方向，一路去減溫水。 首先從母管來水通過主給水泵將工質(zhì)推進(jìn)給水回路，經(jīng)過主給水門調(diào)節(jié)一定的壓力、流速、流量以滿足進(jìn)入汽包水的先決條件。 汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)界面總體概況 圖 VB的汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)界面 對于汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)界面的介紹，由于對水位的控制調(diào)節(jié)本質(zhì)上是對給水的調(diào)節(jié)，應(yīng)根據(jù)上水過程依次 對界面進(jìn)行介紹。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 圖 部分閥門 圖 主給水門 CommandButton屬性設(shè)置值 （ 5） Line（直線）控件 Line 控件同來繪制系統(tǒng)流程管道。同樣一些命令按 鈕，如“發(fā)送”、“接收”按鈕，都是通過 CommandButton 控件來實(shí)現(xiàn)的。 圖 Label和 TextBox控件 （ 3） VScrollBar(垂直滾動(dòng)條 ) VScrollBar 控件的作用主要是用來指示汽包水位標(biāo)尺，通過滾動(dòng)條的的位置顯示水位的高低，另外為了增加顯示的準(zhǔn)確性，在水位標(biāo)尺旁設(shè)立文本框，實(shí)時(shí)顯示汽包水位數(shù)值，如圖 所示。在此，文本框的作用是接收顯示監(jiān)測系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，例如壓力、流量等。比如在汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)中，主要是作為監(jiān)控參數(shù)名稱，閥門名稱，工質(zhì)流程去向等的說明解釋。 圖 界面部件汽包 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 圖 Shape控件屬性設(shè)置值 控件屬性設(shè)置為 4Rounded Rectangle,如圖 為省煤器部件界面圖，圖 為 Shape 控件屬性設(shè)置值。由于 VB不屬于專業(yè)的繪圖工具，所中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 以對于圖形的形象性描述不像 CAD 那么準(zhǔn)確，所以利用 Shape 控件能夠簡單的表示汽包和省煤器。對于 MSm(通訊 )控件將會在第五章進(jìn)行詳細(xì)介紹，在此先進(jìn)行界面內(nèi)所用到的其他控件進(jìn)行介紹。 表 AⅡ鍋爐主要參數(shù) 型號 AⅡ 安裝方式 組合安裝 循環(huán)方式 自然循環(huán) 額定蒸汽溫度 194℃ 額定蒸汽壓力 額定蒸發(fā)量 35t/h 額定水位 300mm 額定供水量 35m3/h 燃料消耗量 ℃ VB 擁有強(qiáng)大的控件可視化編程功能，無需繁瑣的繪圖過程，利用控件即可將鍋爐給水控制系統(tǒng)形象的建立起來。 監(jiān)測界面控件介紹 本設(shè)計(jì)鍋爐選型選用 AⅡ，即單鍋筒縱置式，額定蒸發(fā)量 35t/h,額定壓力 ,燃燒煤種 AⅡ類煤種。 （ 3）打破傳統(tǒng)編程機(jī)制，獨(dú)特的操作編程供使用者使 用。這樣會省去大量繁瑣的代碼編寫，所以選擇 VB作為汽包水位監(jiān)測界面設(shè)計(jì)的編程具有很大的優(yōu)勢。其基礎(chǔ)的編程語言是Basic， 其優(yōu)點(diǎn)在于替代了原本復(fù)雜困難的編程、軟件開發(fā)的工具，使工作變得簡中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 單輕松。利用 Visual Basic 進(jìn)行汽包水位控制段界面設(shè)計(jì)，主要包括給水泵、閥門、調(diào)門、省煤器、汽包、連接管路、汽包水位標(biāo)以及各參數(shù)指示。 3 汽包水位監(jiān)測界面設(shè)計(jì) 基 于第二章控制方案的設(shè)計(jì)，選取汽包上水段過程，進(jìn)行汽包水位控制段界面設(shè)計(jì)以及汽包狀態(tài)監(jiān)測界面設(shè)計(jì)。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 圖 三沖量方式控制系統(tǒng) [11] 圖 本章小結(jié) 本章主要從火電廠汽包水位監(jiān)測系統(tǒng)的總體出發(fā)，介紹了汽包水位的影響因素有三大類：給水流量擾動(dòng)影響、蒸汽流量擾動(dòng)影響、燃料量擾動(dòng)影響。所以在設(shè)計(jì)汽包 給水控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮采用以蒸汽流量 D為前饋控制，以改善給水控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。不難看出，汽包水位的這些變化會收到不同因素的影響，故我們對于水位的控制會更加的艱難和繁瑣。但是由于有大量水的存在，熱量會緩慢傳遞，所以變化相對于上述兩種情況來說比較緩和。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 （ 3）燃料量擾動(dòng) 蒸汽流量 D 發(fā)生變化，有可能是燃料量擾 動(dòng)引起的。雖說這兩種情況對水位的影響都有，但是影響程度不同， 對于大中型鍋爐來說 ， 鍋爐蒸發(fā)量突然猛增的影響更深入一些，因此會產(chǎn)生“虛假水位”現(xiàn)象。但是鍋爐自身的額定蒸發(fā)強(qiáng)度有限，所以圖中曲線 H2最終會趨于穩(wěn)態(tài)直線，也就是我們所說的慣性循環(huán)狀態(tài)。如圖 所示，曲線 H1表示汽包水位線性下降，這